CN106244638B - 一种生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于乳酸发酵技术领域，具体涉及一种生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺。本发明所述工艺以现有边糖化边发酵的乳酸生产工艺为基础，结合所述乳酸发酵菌体渣的预处理方法实现菌体的循环利用，利用单批次菌种即可实现多循环发酵，既解决了发酵废渣出路问题，又降低原辅材料消耗，而复合介质也可循环使用，实现了资源循环利用。本发明所述生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，引进自动板框过滤技术对制糖过程中的玉米淀粉渣快速分离；同时对分离的玉米淀粉渣采取固态发酵联产蛋白饲料，制得高附加值的玉米蛋白饲料；并特定筛选了适宜的催化剂进行乳酸产物的提取，利用离心分离的方法即可快速使乳酸与其它杂质分离，进一步缩短了乳酸发酵的工艺流程。

Description

一种生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺

技术领域

本发明属于乳酸发酵技术领域，具体涉及一种生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺。

背景技术

乳酸作为三大有机酸(包括乳酸、柠檬酸、醋酸)之一，是以淀粉质为原料，经微生物发酵精制而成的一种有机酸，在食品、医药和化学工业等领域都有广泛的应用。

在食品工业领域中，由于乳酸的酸性柔和且稳定，在食品工业中广泛用作酸味剂、防腐剂之用，因此，食品领域中乳酸的消费量占世界乳酸总消费量的大约60％。由于人体内只具有代谢L-乳酸的酶，而D-乳酸则不能被人体吸收，并且过量使用会对人体有毒。因此，世界卫生组织提倡以L-乳酸作为食品添加剂和内服药品，取代目前普遍使用的DL-乳酸。同时，在啤酒生产领域中己禁止使用磷酸调节麦芽汁的pH值，而改用L-乳酸作为调节剂。据调查，世界上四分之一的乳酸用来生产硬脂酞乳酷乳酸，而其盐类则由于可以使面包的保存期变长被大量用于面包生产。另外，将乳酸添加于烟草中，能够保持烟草的湿度，提高卷烟的质量。

在医药工业领域中，乳酸特别是L-乳酸，因具有很强的杀菌作用，甚至其杀菌作用高于柠檬酸、酒石酸、琥珀酸等常见消毒剂，可以用作手术室、病房、实验室、车间等场所的消毒剂。研究表明，L-乳酸、L-乳酸钠与葡萄糖、氨基酸等复合配制成输液，可治疗酸中毒及高钾血症，L-乳酸铁、L-乳酸钠、L-乳酸钙更是补充金属元素的良好药品。

在化学工业等领域中，乳酸可用作制革工业中的脱灰剂，还可用来处理纺织纤维，使之易于着色，增加光泽，使触感柔软。乳酸乙酯作为“绿色溶剂”可以在电子学、航空和航天以及半导体工业中作为精细金属清洁剂。在化妆品中，乳酸、乳酸钠和乳酸钙可提供保湿方面的性能，而酞基乳酸锆是化妆品和保养用品中有效的乳化剂、物料填充和稳定剂，可改善皮肤结构，防止老化，起到保护皮肤的作用。

随着全球气候变暖、环境污染逐渐加重，以及石油资源日益短缺，开发清洁能源与环境友好材料是国家当前十分紧迫的任务。在众多的可降解聚合物中，聚乳酸已成为21世纪最具有发展前景的绿色环保材料。聚乳酸的合成材料--L-乳酸的生产则直接影响到聚乳酸的合成。因此可以说L-乳酸技术和产业的发展是聚乳酸产业发展的重要前提。

目前，国内外生产L-乳酸的工艺大多数以玉米淀粉为主要原料，通过适宜的乳酸菌发酵制得L-乳酸。我国乳酸发酵工业化生产过程中糖化和发酵工序多为分步进行，致使乳酸生产周期长，操作单元多，很难连续生产；在现有专利和文献中，也有一些提到了同步糖化发酵生产乳酸的技术，由于原料的不同，工艺也各不相同，而由于发酵所需pH值的限制，同步糖化发酵很不易控制，导致发酵液残糖高，糖利用率低，发酵液分离纯化困难，难以工业化实施。在此基础上，中国专利CN103789362A公开了一种预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，包括如下步骤：(1)原料制备：玉米经过除杂、粉碎、调浆、喷射液化和过滤；制得DE值为22％-28％的液化糖液，液化糖液中总糖含量为120-180g/L；(2)预糖化：将液化糖液加入经过消毒和灭菌的发酵罐内进行预糖化，得到发酵料液；(3)边糖化边发酵。该方法能够明显缩短糖化的时间，进而缩短乳酸生产周期，但是，该工艺在进行发酵分离产物后，发酵所得的菌体渣中除了含有菌体外，还含有未消耗完的营养以及钙等其它金属离子，一方面导致发酵培养基中的营养物质造成浪费，同时还存在发酵废渣污染的问题，造成资源浪费。而且，现有乳酸发酵工艺中，乳酸成品的有效提取问题也成为了限制乳酸产业发展的一大问题。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺。

为解决上述技术问题，本发明所述的生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，包括如下步骤：

(1)原料制备：取玉米经过除杂、粉碎、调浆、喷射液化步骤制得玉米浆液，经过滤分离后，得到液化糖液和玉米淀粉渣；

(2)预糖化：将制得的液化糖液加入发酵罐内，加入糖化酶进行预糖化处理，得到发酵料液；

(3)边糖化边发酵：预糖化结束后，向发酵料液中加入酵母膏，并接种入乳酸菌液及糖化酶进行同步糖化发酵，同时检测乳酸的产量；

(4)将所得发酵料液过滤，并将所得固体菌体渣以复合介质进行预处理，经预处理后的菌体渣经过滤分离获得可溶营养物质和不可溶杂质；同时将过滤分离后得到的可溶营养物质循环至发酵罐中进行下一循环的发酵之用；

所述复合介质包括硫酸铵、乙二胺四乙酸二钠盐、十二烷基磺酸钠以及柠檬酸钠；

(5)取乳酸浓缩液加入硫酸进行酸解处理，并经过滤及固液分离去除硫酸钙渣固体；将剩余的酸解液加入萃取剂混匀进行乳酸产物萃取，并将含萃取剂和酸解液的混合物进行离心处理，将制得的乳酸产物与萃取剂从其他杂质中分离；随后加入反萃取剂将萃取剂与乳酸产物分离，收集乳酸产物经精制处理，得到乳酸成品；

(6)取所述步骤(1)中分离的玉米淀粉渣，接入嗜热性乳杆菌进行固态发酵，并将发酵所得的玉米淀粉蛋白浆液进行转筒干燥，经粉碎，制得蛋白饲料。

所述复合介质中，所述硫酸铵、乙二胺四乙酸二钠盐、十二烷基磺酸钠以及柠檬酸钠的质量比为1-5：1-3：1-4：1-3，并优选3：2：3：2。

所述复合介质的用量占所述菌体渣质量的10-20wt％；向菌体渣和复合介质的混合物中加入水，将菌体渣和复合介质制成水溶液混匀，菌体渣和复合介质在水溶液中的总质量浓度为10-50wt％。

所述菌体渣预处理步骤于20-30℃下处理30-50min。

所述菌体渣预处理后的过滤分离步骤为离心过滤，所述离心转速为1000-1200rpm。

所述步骤(5)中，所述萃取剂包括松香甘油酯与聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚，所述聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚与松香甘油酯的质量比为2-4：1。

所述萃取剂的加入量与所述酸解液体积比为1-1.2：1，并于25-30℃完成萃取。

所述反萃取剂为90-100℃的热水，所述反萃取剂的加入量与所述萃取剂体积比为1：1-2。

所述步骤(5)中，还包括将反萃取处理后分离出的萃取剂循环用于乳酸产物萃取的步骤。

所述步骤(1)中，所述过滤分离步骤为采用板框压滤机进行过滤，控制板框进料压力为0.4-0.45Mp，控制板框压紧压力为18-20Mpa。

所述步骤(6)中，所述嗜热性乳杆菌的接种量为10％，所述固态发酵步骤的温度为30-35℃发酵45-48h，所述转筒干燥步骤的温度为90℃。

所述步骤(2)中，所述预糖化步骤中，所述糖化酶的加入量为按照液化糖液中每克总糖加入400-600U/g计，并控制发酵液于50-70℃、pH4.5±0.1条件下进行预糖化处理；

所述步骤(3)中，所述边糖化边发酵步骤具体包括：预糖化结束后，向发酵料液中加入酵母膏，并向发酵料液中加入氨水溶液调节发酵料液的pH为6.0±0.1，待发酵料液的温度达到50±2℃时添加占发酵料液总体积6％-12％的乳酸菌液，待乳酸菌液的OD₆₂₀值达到9.5-12时，向发酵罐内通入无菌空气，并保持该温度下继续发酵；待发酵料液的OD₆₂₀值达到10时，调节发酵料液pH为5.5±0.1，并继续按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶50-100U/g加入糖化酶进行同步糖化发酵。

所述步骤(4)中，还包括将分离得到的不可溶杂质干燥并制备脱硫剂的步骤。所述不可溶杂质主要为金属杂质及其他。

所述步骤(5)中，还包括将分离得到的硫酸钙渣固体制备石膏板等工业原料的步骤。

本发明所述生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，以现有边糖化边发酵的乳酸生产工艺为基础，结合所述乳酸发酵菌体渣的预处理方法实现菌体的循环利用，利用单批次菌种即可实现多循环发酵。所述乳酸发酵菌体渣的预处理方法，利用硫酸铵、乙二胺四乙酸二钠盐、十二烷基磺酸钠以及柠檬酸钠为复合介质，对发酵后的菌体进行预处理，由于发酵菌体渣中除了含有菌体、未消耗完的营养外，还含有钙等影响前期发酵的其它金属离子，本发明所述复合介质可有效分离菌体渣中的可溶和不可溶物质(防止菌液中酸基丢失)，经过本发明所述复合介质处理后的可溶营养物质(包含菌体和未消耗的营养)可以继续参与发酵。数据显示，所述菌体渣经过预处理后，不仅其发酵乳酸的效率没有降低，反而因为携带了发酵液中的残余营养物质而有助于提升后续循环中的糖酸转化率，实现了乳酸发酵生产的最大化收益。而分离出的金属离子主要为钙离子，经干燥可作为热电厂脱硫剂使用。而且，本发明采用离心分离的方法快速分离出菌体，分离出的菌体作为营养氮源返回发酵工序循环使用，减少发酵培养基中的营养物质的用量，既解决了发酵废渣出路问题，又降低原辅材料消耗，而复合介质也可循环使用，实现了资源循环利用。

而且，本发明所述生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，引进自动板框过滤技术对制糖过程中的玉米淀粉渣快速分离；同时对分离的玉米淀粉渣采取固态发酵联产蛋白饲料，可以显著提高氨基酸含量，使淀粉渣中各成分更利用动物消化吸收，制得高附加值的玉米蛋白饲料。

本发明所述生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，特定筛选了适宜的催化剂进行乳酸产物的提取，改变现有从乳酸中将各种杂质逐一分离的工艺路线，利用离心分离的方法即可快速使乳酸与其它杂质分离。并且所述萃取剂可通过热水进行反萃取操作，使得萃取剂可循环使用，进一步缩短了乳酸发酵的工艺流程，大幅度降低水、电、汽、酸碱等消耗。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，

图1为本发明所述生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺流程图。

具体实施方式

实施例1

本实施例所述生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，包括如下步骤：

(1)原料制备：取玉米经过除杂、粉碎、调浆、喷射液化步骤制得玉米浆液，所述玉米浆液采用板框压滤机进行过滤及固液分离，控制板框进料压力为0.4Mp，控制板框压紧压力为18Mpa，经过滤分离后，得到DE值为22％的液化糖液和玉米淀粉渣，液化糖液中总糖含量为120g/L；

(2)预糖化：预糖化温度为59℃，将液化糖液加入经过消毒和灭菌的发酵罐内进行预糖化；加入质量分数为3％的盐酸调节液化糖液pH为4.5±0.1，糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶400U，并向发酵罐中通入无菌空气，保持罐内压力0.2Mpa，预糖化时间4小时，得到发酵料液；所得发酵料液中DX值为88％；

(3)边糖化边发酵：预糖化结束后向发酵料液中加入酵母膏，并向发酵料液中加入质量分数为30％的氨水溶液以保持发酵料液的pH为5.9，待发酵料液的温度降到48℃时添加发酵料液总体积6％的乳酸菌液，乳酸菌液的OD₆₂₀值为10，并一直保持发酵罐内温度为48℃，并向发酵罐内通入无菌空气，检测发酵料液的OD₆₂₀值，待发酵料液的OD₆₂₀值上升到10时，调节发酵料液pH到5.5，再次加入糖化酶，糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶100U，发酵46小时后检测乳酸菌不再产酸，发酵结束；

(4)将所得发酵料液过滤，固液分离得到固体菌渣和乳酸料液，将所得固体菌体渣称重，并加入占所述菌渣重量10wt％的复合介质(本实施例中复合介质包括质量比为1：3：1：3的硫酸铵、乙二胺四乙酸二钠盐、十二烷基磺酸钠以及柠檬酸钠)进行预处理，向菌体渣和复合介质的混合物中加入水，将菌体渣和复合介质制成水溶液混匀，菌体渣和复合介质在水溶液中的总质量浓度为20wt％，于20℃温度下静置处理50min，并将处理后的菌液于1000-1200rpm转速下离心过滤，再次固液分离分别得到可溶营养物质和不可溶杂质；

所述可溶营养物质用于循环至发酵罐中进行下一循环的发酵之用，而所得杂质可经干燥、粉碎后用于制备脱硫剂；

经固液分离后得到的乳酸料液经蒸发浓缩后得到含乳酸浓缩液，检测发酵浓缩液中残总糖含量为0.4％，残还原糖为0.15％，糖酸转化率达到95.3％；

(5)取乳酸浓缩液加入质量浓度40％的硫酸进行酸解处理3h，并经过滤及固液分离去除硫酸钙渣固体；将剩余的酸解液加入萃取剂(质量比为2：1的聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚与松香甘油酯)混匀于25℃进行乳酸产物萃取，所述萃取剂的加入量与所述酸解液体积比为1：1，并将含萃取剂和酸解液的混合物进行常规离心处理，将制得的乳酸产物与萃取剂从其他杂质中分离；经检测：酸解液中的乳酸有97wt％被萃取到萃取剂中；

随后萃取剂与乳酸产物中加入90℃的热水为反萃取剂进行反萃取分离，所述反萃取剂的加入量与所述萃取剂体积比为1：1；油水分离后收集乳酸产物进行精制处理，得到乳酸成品；而反萃取处理后分离出的萃取剂则循环用于下一循环乳酸产物的萃取之用；经检测萃取剂中剩余乳酸的量仅为反萃取之前的0.1wt％。

(6)取所述步骤(1)中分离的玉米淀粉渣，按照10％的接种量接入嗜热性乳杆菌，并于30℃温度下进行固态发酵48h，将发酵所得的玉米淀粉蛋白浆液于90℃进行转筒干燥，经粉碎，制得蛋白饲料；按照GB/T 18246-2000检测，制得的蛋白饲料中，18种氨基酸(天冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、胱氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯基丙氨酸、赖氨酸、组氨酸、色氨酸、精氨酸、脯氨酸)总含量为27.76wt％，其中谷氨酸、丙氨酸、亮氨酸和脯氨酸的含量分别为5.04wt％、2.00wt％、3.53wt％、2.43wt％。

按照上述步骤(1)-(6)的条件循环发酵生产乳酸，所述步骤(3)中的菌种均为经过上一循环步骤(4)中预处理后循环返回至发酵罐的菌种，连续进行5个循环的连续发酵，检测每循环发酵结束后乳酸发酵液中的残糖情况，并计算糖酸转化率。

本实施例中，按照上述条件进行5次循环发酵处理后，2-4次循环过程中的糖酸转化率分别为95.5％、95.8％、96.1％、96.8％。可见，本发明所述生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，利用单批次菌种即可实现多循环发酵，所述菌体渣经过预处理后，不仅其发酵乳酸的效率没有降低，反而因为携带了发酵液中的残余营养物质而有助于提升后续循环中的糖酸转化率，可见，本发明所述乳酸发酵菌体渣的预处理方法，不仅最大化的利用了发酵液中的营养物质，同时解决了废弃菌体渣污染的问题。

而且，本发明所述生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，引进自动板框过滤技术对制糖过程中的玉米淀粉渣快速分离；同时对分离的玉米淀粉渣采取固态发酵联产蛋白饲料，可以显著提高氨基酸含量，使淀粉渣中各成分更利用动物消化吸收，制得高附加值的玉米蛋白饲料。

本发明所述生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，特定筛选了适宜的催化剂进行乳酸产物的提取，改变现有从乳酸中将各种杂质逐一分离的工艺路线，利用离心分离的方法即可快速使乳酸与其它杂质分离。并且所述萃取剂可通过热水进行反萃取操作，使得萃取剂可循环使用，进一步缩短了乳酸发酵的工艺流程，大幅度降低水、电、汽、酸碱等消耗。

实施例2

本实施例所述生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，包括如下步骤：

(1)原料制备：取玉米经过除杂、粉碎、调浆、喷射液化步骤制得玉米浆液，所述玉米浆液采用板框压滤机进行过滤及固液分离，控制板框进料压力为0.45Mp，控制板框压紧压力为20Mpa，经过滤分离后，得到DE值为28％的液化糖液和玉米淀粉渣，液化糖液中总糖含量为180g/L；

(2)预糖化：控制预糖化温度为70℃，将液化糖液加入经过消毒和灭菌的发酵罐内进行预糖化；加入质量分数为2％的硫酸调节液化糖液pH为4.4，糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶400U，并向发酵罐中通入无菌空气，保持罐内压力0.1Mpa，预糖化时间6小时，得到发酵料液；所得发酵料液中DX值为89％；

(3)边糖化边发酵：预糖化结束后向发酵料液中加入酵母膏，并向发酵料液中加入质量分数20％的氨水溶液以保持发酵料液的pH为6.0，待发酵料液的温度降到50℃时添加发酵料液总体积10％的乳酸菌液，乳酸菌液的OD₆₂₀值为12，并一直保持发酵罐内温度为50℃，并向发酵罐内通入无菌空气，检测发酵料液的OD₆₂₀值，待发酵料液的OD₆₂₀值上升到10时，调节发酵料液pH到5.4，继续加入糖化酶，糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶100U，发酵47小时后，检测乳酸菌不再产酸，此时发酵结束；

(4)将所得发酵料液过滤，固液分离得到固体菌渣和乳酸料液，将所得固体菌体渣称重，并加入占所述菌渣重量15wt％的复合介质(包括质量比为5：1：4：1的硫酸铵、乙二胺四乙酸二钠盐、十二烷基磺酸钠以及柠檬酸钠)进行预处理，向菌体渣和复合介质的混合物中加入水，将菌体渣和复合介质制成水溶液混匀，菌体渣和复合介质在水溶液中的总质量浓度为15wt％，于30℃温度下静置处理30min，并将处理后的菌液于1000-1200rpm转速下离心过滤，再次固液分离分别得到可溶营养物质和不可溶杂质；

所述可溶营养物质用于循环至发酵罐中进行下一循环的发酵之用，而所得杂质可经干燥、粉碎后用于制备脱硫剂；

经固液分离后得到的乳酸料液经蒸发浓缩后得到含乳酸浓缩液，检测发酵浓缩液中残总糖含量为0.4％，残还原糖为0.15％，糖酸转化率达到95.3％；

(5)取乳酸浓缩液加入质量浓度50％的硫酸进行酸解处理3h，并经过滤及固液分离去除硫酸钙渣固体；将剩余的酸解液加入萃取剂(质量比为4：1的聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚与松香甘油酯)混匀于30℃进行乳酸产物萃取，所述萃取剂的加入量与所述酸解液体积比为1.2：1，并将含萃取剂和酸解液的混合物进行常规离心处理，将制得的乳酸产物与萃取剂从其他杂质中分离；经检测：酸解液中的乳酸有98wt％被萃取到萃取剂中；

随后萃取剂与乳酸产物中加入100℃的热水为反萃取剂进行反萃取分离，所述反萃取剂的加入量与所述萃取剂体积比为1：2；油水分离后收集乳酸产物进行精制处理，得到乳酸成品；而反萃取处理后分离出的萃取剂则循环用于下一循环乳酸产物的萃取之用；经检测萃取剂中剩余乳酸的量仅为反萃取之前的0.2wt％。

(6)取所述步骤(1)中分离的玉米淀粉渣，按照10％的接种量接入嗜热性乳杆菌，并于35℃温度下进行固态发酵45h，将发酵所得的玉米淀粉蛋白浆液于90℃进行转筒干燥，经粉碎，制得蛋白饲料；按照GB/T 18246-2000检测，制得的蛋白饲料中，18种氨基酸(天冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、胱氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯基丙氨酸、赖氨酸、组氨酸、色氨酸、精氨酸、脯氨酸)总含量为27.83wt％，其中谷氨酸、丙氨酸、亮氨酸和脯氨酸的含量分别为5.07wt％、2.03wt％、3.50wt％、2.41wt％。

按照上述步骤(1)-(6)的条件循环发酵生产乳酸，所述步骤(3)中的菌种均为经过上一循环步骤(4)中预处理后循环返回至发酵罐的菌种，连续进行5个循环的连续发酵，检测每循环发酵结束后乳酸发酵液中的残糖情况，并计算糖酸转化率。

本实施例中，按照上述条件进行5次循环发酵处理后，2-4次循环过程中的糖酸转化率分别为95.6％、95.9％、96.2％、96.8％。可见，本发明所述生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，利用单批次菌种即可实现多循环发酵，所述菌体渣经过预处理后，不仅其发酵乳酸的效率没有降低，反而因为携带了发酵液中的残余营养物质而有助于提升后续循环中的糖酸转化率，可见，本发明所述乳酸发酵菌体渣的预处理方法，不仅最大化的利用了发酵液中的营养物质，同时解决了废弃菌体渣污染的问题。

实施例3

本实施例所述生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，包括如下步骤：

(1)原料制备：取玉米经过除杂、粉碎、调浆、喷射液化步骤制得玉米浆液，所述玉米浆液采用板框压滤机进行过滤及固液分离，控制板框进料压力为0.42Mp，控制板框压紧压力为19Mpa，经过滤分离后，得到DE值为25％的液化糖液和玉米淀粉渣，液化糖液中总糖含量为140g/L；

(2)预糖化：预糖化温度为50℃，将液化糖液加入经过消毒和灭菌的发酵罐内进行预糖化；加入质量分数为1％的盐酸调节液化糖液pH为4.6，糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶600U，并向发酵罐中通入无菌空气，保持罐内压力0.4Mpa，预糖化时间3.5小时，得到发酵料液，所得发酵料液中DX值为90％；

(3)边糖化边发酵：预糖化结束后向发酵料液中加入酵母膏，并向发酵料液中加入质量分数为30％的氨水溶液以保持发酵料液的pH为6.2，待发酵料液的温度降到52℃时添加发酵料液总体积8％的乳酸菌液，乳酸菌液的OD₆₂₀值为9.5，并一直保持发酵罐内温度为52℃，并向发酵罐内通入无菌空气，检测发酵料液的OD₆₂₀值，待发酵料液的OD₆₂₀值上升到10时，调节发酵料液pH到5.6，加入糖化酶，糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶80U，发酵45小时后检测乳酸菌不再产酸，发酵结束；

(4)将所得发酵料液过滤，固液分离得到固体菌渣和乳酸料液，将所得固体菌体渣称重，并加入占所述菌渣重量15wt％的复合介质(包括质量比为3：2：3：2的硫酸铵、乙二胺四乙酸二钠盐、十二烷基磺酸钠以及柠檬酸钠)进行预处理，向菌体渣和复合介质的混合物中加入水，将菌体渣和复合介质制成水溶液混匀，菌体渣和复合介质在水溶液中的总质量浓度为25wt％，于25℃温度下静置处理40min，并将处理后的菌液于1000-1200rpm转速下离心过滤，再次固液分离分别得到可溶营养物质和不可溶杂质；

所述可溶营养物质用于循环至发酵罐中进行下一循环的发酵之用，而所得杂质可经干燥、粉碎后用于制备脱硫剂；

经固液分离后得到的乳酸料液经蒸发浓缩后得到含乳酸浓缩液，检测发酵浓缩液中残总糖含量为0.35％，残还原糖为0.13％，糖酸转化率达到95.6％；

(5)取乳酸浓缩液加入质量浓度45％的硫酸进行酸解处理3h，并经过滤及固液分离去除硫酸钙渣固体；将剩余的酸解液加入萃取剂(质量比为3：1的聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚与松香甘油酯)混匀于28℃进行乳酸产物萃取，所述萃取剂的加入量与所述酸解液体积比为1.1：1，并将含萃取剂和酸解液的混合物进行常规离心处理，将制得的乳酸产物与萃取剂从其他杂质中分离；经检测：酸解液中的乳酸有98wt％被萃取到萃取剂中；

随后萃取剂与乳酸产物中加入95℃的热水为反萃取剂进行反萃取分离，所述反萃取剂的加入量与所述萃取剂体积比为1：1.5；油水分离后收集乳酸产物进行精制处理，得到乳酸成品；而反萃取处理后分离出的萃取剂则循环用于下一循环乳酸产物的萃取之用；经检测萃取剂中剩余乳酸的量仅为反萃取之前的0.05wt％。

(6)取所述步骤(1)中分离的玉米淀粉渣，按照10％的接种量接入嗜热性乳杆菌，并于32℃温度下进行固态发酵46h，将发酵所得的玉米淀粉蛋白浆液于90℃进行转筒干燥，经粉碎，制得蛋白饲料；按照GB/T 18246-2000检测，制得的蛋白饲料中，18种氨基酸(天冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、胱氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯基丙氨酸、赖氨酸、组氨酸、色氨酸、精氨酸、脯氨酸)总含量为26.92wt％，其中谷氨酸、丙氨酸、亮氨酸和脯氨酸的含量分别为5.00wt％、2.01wt％、3.52wt％、2.45wt％。

按照上述步骤(1)-(6)的条件循环发酵生产乳酸，所述步骤(3)中的菌种均为经过上一循环步骤(4)中预处理后循环返回至发酵罐的菌种，连续进行5个循环的连续发酵，检测每循环发酵结束后乳酸发酵液中的残糖情况，并计算糖酸转化率。

本实施例中，按照上述条件进行5次循环发酵处理后，2-4次循环过程中的糖酸转化率分别为95.8％、96.0％、96.2％、96.7％。可见，本发明所述生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，利用单批次菌种即可实现多循环发酵，所述菌体渣经过预处理后，不仅其发酵乳酸的效率没有降低，反而因为携带了发酵液中的残余营养物质而有助于提升后续循环中的糖酸转化率，可见，本发明所述乳酸发酵菌体渣的预处理方法，不仅最大化的利用了发酵液中的营养物质，同时解决了废弃菌体渣污染的问题。

实施例4

本实施例所述生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，包括如下步骤：

(1)原料制备：取玉米经过除杂、粉碎、调浆、喷射液化步骤制得玉米浆液，所述玉米浆液采用板框压滤机进行过滤及固液分离，控制板框进料压力为0.4Mp，控制板框压紧压力为20Mpa，经过滤分离后，得到DE值为28％的液化糖液和玉米淀粉渣，液化糖液中总糖含量为180g/L；

(2)预糖化：预糖化温度为60℃，将液化糖液加入经过消毒和灭菌的发酵罐内进行预糖化；再加入质量分数为1％的硫酸调节液化糖液pH为4.4，糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶500U，并向发酵罐中通入无菌空气，保持罐内压力0.05Mpa，预糖化时间3小时，得到发酵料液；所得发酵料液中DX值为90％；

(3)边糖化边发酵：预糖化结束后向发酵料液中加入酵母膏，并向发酵料液中加入质量分数25％的氨水溶液以保持发酵料液的pH为6.0，待发酵料液的温度降到49℃时添加发酵料液总体积6％的乳酸菌液，至乳酸菌液的OD₆₂₀值为9.5，并一直保持发酵罐内温度为49℃，并向发酵罐内通入无菌空气，检测发酵料液的OD₆₂₀值，待发酵料液的OD₆₂₀值上升到10时，调节发酵料液pH到5.5，继续加入糖化酶，糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶50U，发酵45.5小时后检测乳酸菌不再产酸，发酵结束；

(4)将所得发酵料液过滤，固液分离得到固体菌渣和乳酸料液，将所得固体菌体渣称重，并加入占所述菌渣重量15wt％的复合介质(包括质量比为2：2.5：2：2.5的硫酸铵、乙二胺四乙酸二钠盐、十二烷基磺酸钠以及柠檬酸钠)进行预处理，向菌体渣和复合介质的混合物中加入水，将菌体渣和复合介质制成水溶液混匀，菌体渣和复合介质在水溶液中的总质量浓度为30wt％，于25℃温度下静置处理40min，并将处理后的菌液于1000-1200rpm转速下离心过滤，再次固液分离分别得到可溶营养物质和不可溶杂质；

所述可溶营养物质用于循环至发酵罐中进行下一循环的发酵之用，而所得杂质可经干燥、粉碎后用于制备脱硫剂；

经固液分离后得到的乳酸料液经蒸发浓缩后得到含乳酸浓缩液，检测发酵浓缩液中残总糖含量为0.33％，残还原糖为0.12％，糖酸转化率达到95.4％；

(5)取乳酸浓缩液加入质量浓度42％的硫酸进行酸解处理3h，并经过滤及固液分离去除硫酸钙渣固体；将剩余的酸解液加入萃取剂(质量比为2.5：1的聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚与松香甘油酯)混匀于26℃进行乳酸产物萃取，所述萃取剂的加入量与所述酸解液体积比为1.1：1，并将含萃取剂和酸解液的混合物进行常规离心处理，将制得的乳酸产物与萃取剂从其他杂质中分离；经检测：酸解液中的乳酸有98wt％被萃取到萃取剂中；

随后萃取剂与乳酸产物中加入92℃的热水为反萃取剂进行反萃取分离，所述反萃取剂的加入量与所述萃取剂体积比为1：1.2；油水分离后收集乳酸产物进行精制处理，得到乳酸成品；而反萃取处理后分离出的萃取剂则循环用于下一循环乳酸产物的萃取之用；经检测萃取剂中剩余乳酸的量仅为反萃取之前的0.1wt％。

(6)取所述步骤(1)中分离的玉米淀粉渣，按照10％的接种量接入嗜热性乳杆菌，并于34℃温度下进行固态发酵45h，将发酵所得的玉米淀粉蛋白浆液于90℃进行转筒干燥，经粉碎，制得蛋白饲料；按照GB/T 18246-2000检测，制得的蛋白饲料中，18种氨基酸(天冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、胱氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯基丙氨酸、赖氨酸、组氨酸、色氨酸、精氨酸、脯氨酸)总含量为28.92wt％，其中谷氨酸、丙氨酸、亮氨酸和脯氨酸的含量分别为5.15wt％、2.05wt％、3.61wt％、2.53wt％。

按照上述步骤(1)-(6)的条件循环发酵生产乳酸，所述步骤(3)中的菌种均为经过上一循环步骤(4)中预处理后循环返回至发酵罐的菌种，连续进行5个循环的连续发酵，检测每循环发酵结束后乳酸发酵液中的残糖情况，并计算糖酸转化率。

本实施例中，按照上述条件进行5次循环发酵处理后，2-4次循环过程中的糖酸转化率分别为95.8％、96.2％、96.6％、96.9％。可见，本发明所述生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，利用单批次菌种即可实现多循环发酵，所述菌体渣经过预处理后，不仅其发酵乳酸的效率没有降低，反而因为携带了发酵液中的残余营养物质而有助于提升后续循环中的糖酸转化率，可见，本发明所述乳酸发酵菌体渣的预处理方法，不仅最大化的利用了发酵液中的营养物质，同时解决了废弃菌体渣污染的问题。

实施例5

本实施例所述生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，包括如下步骤：

(1)原料制备：取玉米经过除杂、粉碎、调浆、喷射液化步骤制得玉米浆液，所述玉米浆液采用板框压滤机进行过滤及固液分离，控制板框进料压力为0.45Mp，控制板框压紧压力为18Mpa，经过滤分离后，得到DE值为27％的液化糖液和玉米淀粉渣，液化糖液中总糖含量为175g/L；

(2)预糖化：预糖化温度为55℃，将液化糖液加入经过消毒和灭菌的发酵罐内进行预糖化；再加入质量分数为1％的磷酸调节液化糖液pH为4.5，糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶500U，并向发酵罐中通入无菌空气，保持罐内压力0.4Mpa，预糖化时间1小时，得到发酵料液，所得发酵料液中DX值为93％；

(3)边糖化边发酵：预糖化结束后向发酵料液中加入酵母膏，并向发酵料液中加入质量分数为30％的氨水溶液以保持发酵料液的pH为5.9，待发酵料液的温度降到51℃时添加发酵料液总体积6％的乳酸菌液，乳酸菌液的OD₆₂₀值为11，并一直保持发酵罐内温度为51℃，并向发酵罐内通入无菌空气，检测发酵料液的OD₆₂₀值，待发酵料液的OD₆₂₀值上升到10时，调节发酵料液pH到5.6，加入糖化酶，糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶50U，发酵45小时后检测乳酸菌不再产酸，发酵结束；

(4)将所得发酵料液过滤，固液分离得到固体菌渣和乳酸料液，将所得固体菌体渣称重，并加入占所述菌渣重量15wt％的复合介质(包括质量比为4：1.5：3.5：1.5的硫酸铵、乙二胺四乙酸二钠盐、十二烷基磺酸钠以及柠檬酸钠)进行预处理，向菌体渣和复合介质的混合物中加入水，将菌体渣和复合介质制成水溶液混匀，菌体渣和复合介质在水溶液中的总质量浓度为40wt％，于25℃温度下静置处理40min，并将处理后的菌液于

1000-1200rpm转速下离心过滤，再次固液分离分别得到可溶营养物质和不可溶杂质；

所述可溶营养物质用于循环至发酵罐中进行下一循环的发酵之用，而所得杂质可经干燥、粉碎后用于制备脱硫剂；

经固液分离后得到的乳酸料液经蒸发浓缩后得到含乳酸浓缩液，检测发酵浓缩液中残总糖含量为0.30％，残还原糖为0.10％，糖酸转化率达到95.8％；

(5)取乳酸浓缩液加入质量浓度48％的硫酸进行酸解处理3h，并经过滤及固液分离去除硫酸钙渣固体；将剩余的酸解液加入萃取剂(质量比为3.5：1的聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚与松香甘油酯)混匀于29℃进行乳酸产物萃取，所述萃取剂的加入量与所述酸解液体积比为1.1：1，并将含萃取剂和酸解液的混合物进行常规离心处理，将制得的乳酸产物与萃取剂从其他杂质中分离；经检测：酸解液中的乳酸有99wt％被萃取到萃取剂中；

随后萃取剂与乳酸产物中加入98℃的热水为反萃取剂进行反萃取分离，所述反萃取剂的加入量与所述萃取剂体积比为1：1.8；油水分离后收集乳酸产物进行精制处理，得到乳酸成品；而反萃取处理后分离出的萃取剂则循环用于下一循环乳酸产物的萃取之用；经检测萃取剂中剩余乳酸的量仅为反萃取之前的0.05wt％。

(6)取所述步骤(1)中分离的玉米淀粉渣，按照10％的接种量接入嗜热性乳杆菌，并于30℃温度下进行固态发酵48h，将发酵所得的玉米淀粉蛋白浆液于90℃进行转筒干燥，经粉碎，制得蛋白饲料；按照GB/T 18246-2000检测，制得的蛋白饲料中，18种氨基酸(天冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、胱氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯基丙氨酸、赖氨酸、组氨酸、色氨酸、精氨酸、脯氨酸)总含量为27.98wt％，其中谷氨酸、丙氨酸、亮氨酸和脯氨酸的含量分别为5.03wt％、2.00wt％、3.60wt％、2.51wt％。

按照上述步骤(1)-(6)的条件循环发酵生产乳酸，所述步骤(3)中的菌种均为经过上一循环步骤(4)中预处理后循环返回至发酵罐的菌种，连续进行5个循环的连续发酵，检测每循环发酵结束后乳酸发酵液中的残糖情况，并计算糖酸转化率。

本实施例中，按照上述条件进行5次循环发酵处理后，2-4次循环过程中的糖酸转化率分别为95.9％、96.2％、96.4％、96.9％。可见，本发明所述生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，利用单批次菌种即可实现多循环发酵，所述菌体渣经过预处理后，不仅其发酵乳酸的效率没有降低，反而因为携带了发酵液中的残余营养物质而有助于提升后续循环中的糖酸转化率，可见，本发明所述乳酸发酵菌体渣的预处理方法，不仅最大化的利用了发酵液中的营养物质，同时解决了废弃菌体渣污染的问题。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，其特征在于，包括如下步骤：

(1)原料制备：取玉米经过除杂、粉碎、调浆、喷射液化步骤制得玉米浆液，经过滤分离后，得到液化糖液和玉米淀粉渣；

(2)预糖化：将制得的液化糖液加入发酵罐内，加入糖化酶进行预糖化处理，得到发酵料液；

(3)边糖化边发酵：预糖化结束后，向发酵料液中加入酵母膏，并接种入乳酸菌液及糖化酶进行同步糖化发酵，同时检测乳酸的产量；

(4)将所得发酵料液过滤，并将所得固体菌体渣以复合介质进行预处理，经预处理后的菌体渣经过滤分离获得可溶营养物质和不可溶杂质；同时将过滤分离后得到的可溶营养物质循环至发酵罐中进行下一循环的发酵之用；

所述复合介质包括硫酸铵、乙二胺四乙酸二钠盐、十二烷基磺酸钠以及柠檬酸钠；

(5)取乳酸浓缩液加入硫酸进行酸解处理，并经过滤及固液分离去除硫酸钙渣固体；将剩余的酸解液加入萃取剂混匀进行乳酸产物萃取，并将含萃取剂和酸解液的混合物进行离心处理，将制得的乳酸产物与萃取剂从其他杂质中分离；随后加入反萃取剂将萃取剂与乳酸产物分离，收集乳酸产物经精制处理，得到乳酸成品；

(6)取所述步骤(1)中分离的玉米淀粉渣，接入嗜热性乳杆菌进行固态发酵，并将发酵所得的玉米淀粉蛋白浆液进行转筒干燥，经粉碎，制得蛋白饲料；

所述复合介质中，所述硫酸铵、乙二胺四乙酸二钠盐、十二烷基磺酸钠以及柠檬酸钠的质量比为1-5：1-3：1-4：1-3；

所述复合介质的用量占所述菌体渣质量的10-20wt％；向菌体渣和复合介质的混合物中加入水，将菌体渣和复合介质制成水溶液混匀，菌体渣和复合介质在水溶液中的总质量浓度为10-50wt％；

所述步骤(5)中，所述萃取剂包括松香甘油酯与聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚，所述聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚与松香甘油酯的质量比为2-4：1；

所述萃取剂的加入量与所述酸解液体积比为1-1.2：1，并于25-30℃完成萃取；

所述反萃取剂为90-100℃的热水，所述反萃取剂的加入量与所述萃取剂体积比为1：1-2。

2.根据权利要求1所述的生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，其特征在于，所述步骤(5)中，还包括将反萃取处理后分离出的萃取剂循环用于乳酸产物萃取的步骤。

3.根据权利要求1所述的生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，其特征在于，所述步骤(1)中，所述过滤分离步骤为采用板框压滤机进行过滤，控制板框进料压力为0.4-0.45Mp，控制板框压紧压力为18-20Mpa。

4.根据权利要求1所述的生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，其特征在于，所述步骤(6)中，所述嗜热性乳杆菌的接种量为10％，所述固态发酵步骤的温度为30-35℃发酵45-48h，所述转筒干燥步骤的温度为90℃。

5.根据权利要求1所述的生物质循环发酵生产乳酸的综合利用工艺，其特征在于：

所述步骤(2)中，所述预糖化步骤中，所述糖化酶的加入量为按照液化糖液中每克总糖加入400-600U/g计，并控制发酵液于50-70℃、pH4.5±0.1条件下进行预糖化处理；

所述步骤(3)中，所述边糖化边发酵步骤具体包括：预糖化结束后，向发酵料液中加入酵母膏，并向发酵料液中加入氨水溶液调节发酵料液的pH为6.0±0.1，待发酵料液的温度达到50±2℃时添加占发酵料液总体积6％-12％的乳酸菌液，待乳酸菌液的OD₆₂₀值达到9.5-12时，向发酵罐内通入无菌空气，并保持该温度下继续发酵；待发酵料液的OD₆₂₀值达到10时，调节发酵料液pH为5.5±0.1，并继续按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶50-100U/g加入糖化酶进行同步糖化发酵。

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